基于X-CT技術(shù)對黔西滇東區(qū)域煤儲層物性特征的研究

熊　波，劉　坤，郭　凱，趙廣民

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京　102249；2.中國石油 勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊　065007；3.中國石油 天然氣與管道分公司，北京　100007；4.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安　710021)

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基于X-CT技術(shù)對黔西滇東區(qū)域煤儲層物性特征的研究

熊波1,2，劉坤2，郭凱3，趙廣民4

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油 勘探開發(fā)研究院 廊坊分院，河北 廊坊065007；3.中國石油 天然氣與管道分公司，北京100007；4.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710021)

摘要：黔西滇東區(qū)域是我國煤層氣勘探開發(fā)的資源潛力區(qū)，近年來煤層氣勘探和礦場試驗顯示該區(qū)具有良好的煤層氣勘探開發(fā)潛力。通過X-CT技術(shù)系統(tǒng)研究了該區(qū)的煤儲層物性特征。研究表明，X-CT掃描技術(shù)可以很好地識別礦物、暗煤、鏡煤和孔隙這4種介質(zhì)，它們的CT數(shù)分別為：>1 800，1 500～1 800，1 000～1 500，<1 000 HU，但是具體CT數(shù)又因樣品而異；通過X-CT掃描技術(shù)估算得到的煤孔隙度值為3.33%～7.14%，礦物含量為0.11%～89.03%，與氦氣法和工業(yè)分析法得到的結(jié)果相關(guān)性很好； X-CT切片分析結(jié)果顯示在應(yīng)力作用下，原生煤具有最強的均質(zhì)性，糜棱煤具有最強的非均質(zhì)性，初碎裂煤和碎裂煤介于兩者之間，表明煤巖在沒有受到應(yīng)力作用之前，煤巖組成在軸向上的均質(zhì)性相對較好，后期的應(yīng)力作用造成了煤中的煤巖組分、孔裂隙以及礦物的分布不均勻，煤巖非均質(zhì)性增強；通過煤儲層三維模型的建立，定量表征了研究區(qū)煤中礦物質(zhì)、孔隙以及裂隙的空間分布特征，實現(xiàn)了煤儲層的三維可視化。

關(guān)鍵詞：X-CT；物性特征；均質(zhì)性；三維模型；煤儲層；黔西滇東

煤中孔隙、裂隙和礦物的體積和空間分布的量化是煤層氣儲層評價的基本要求。計算機層析掃描(CT)是一種非破壞性的技術(shù)，可以提供三維巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定量檢測，因而被廣泛用于巖石學(xué)和油氣儲層評價中[1-7]。近年來，CT技術(shù)在煤巖學(xué)和巖石物性研究上展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，包括區(qū)分煤基質(zhì)中孔隙、裂縫和礦物，研究煤中天然氣吸附和運移特征，煤的非均質(zhì)性特征和煤中孔隙、裂縫和礦物的空間分布[8-14]。

黔西滇東區(qū)域是我國南部煤層氣資源潛力區(qū)，近年來，通過煤層氣的早期勘探和試驗發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)具有良好的煤層氣潛力和巨大的煤層氣資源。目前該區(qū)已經(jīng)成為煤層氣勘探研究新的重點區(qū)域，但是前期的研究多集中于該區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景以及資源潛力評價等基礎(chǔ)性研究，至今該區(qū)仍沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的煤儲層物性研究及評價。本文基于X-CT技術(shù)系統(tǒng)研究了該區(qū)的煤儲層物性特征，以期為該區(qū)的煤層氣勘探開發(fā)提供借鑒。

1樣品與實驗

本次實驗采集了織納地區(qū)煤巖樣品2塊，分布于吊水巖煤礦(Z1)和良山煤礦(Z2)；盤關(guān)地區(qū)樣品2塊，分布于黑皮凹子煤礦(P1)和陸中德煤礦(P2)；恩洪地區(qū)樣品2塊，取自久安煤礦(J1和J2)；老廠地區(qū)的樣品4塊，采自于箐地溝煤礦，樣品涵括了原生結(jié)構(gòu)煤(G1)、初碎裂煤(G2)、碎裂煤(G3)和糜棱煤(G4)(圖1)。樣品均采于6個煤礦的井下工作面，所采樣品均為大塊，重量約為2 kg，分別編號包裝好送到實驗室進(jìn)行實驗。每個樣品分別被分成了大塊(15 cm×15 cm×15 cm)、中塊(5 cm×5 cm×5 cm)和小塊。

圖1　黔西滇東地區(qū)采樣位置

2實驗原理與方法

工業(yè)X-CT 設(shè)備主要包括放射源和探測器兩部分，它的主要工作原理是利用射線穿透物體，進(jìn)而收集經(jīng)過物體吸收后的衰減射線強度。CT掃描的穿透數(shù)據(jù)是通過多個不同角度的測量數(shù)據(jù)匯總而得來的，各角度的數(shù)據(jù)是通過計算機采用圖像重建的方法收集而來[15-17]。圖像重建功能根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)建立物體的CT橫斷面掃描圖像。

X-CT對巖心分析的基本原理是：透過物體后的X射線的強度與該物體的密度有關(guān)，當(dāng)X射線光子量(I0)通過任何一個具有線性衰減系數(shù)(μ)的體積元時光子量變?yōu)镮，其過程遵循比爾定率：

(1)

式中：I0是原始X射線強度，I是透過物體的X射線強度，μ是X射線的衰竭系數(shù)，h是物體厚度。對于特定物質(zhì)，衰竭系數(shù)是固定已知的。

當(dāng)一系列的X射線檢測器被安裝在被檢測物體的周圍時，就可以獲得來自不同角度的X射線強度。通過處理獲得的一系列X射線資料可以得到不同數(shù)目像素的CT圖片，圖像的質(zhì)量決定于圖像的制式[18-20]。

為了CT 圖像之間的方便比較，將CT值(H)定義為物體相較于水的衰減系數(shù)μ：

(2)

式中：CT值是以HU單位表示的CT數(shù)；μT和μ水分別為物體和水的衰減系數(shù)。當(dāng)μT=μ水時，水的CT值為0 HU；當(dāng)μT=μ空氣=0(μ空氣表示空氣的衰減系數(shù))時，此時空氣的CT值是-1 000 HU。由于水和空氣兩者的CT 值與射線能量無關(guān)，因此，它們在CT 標(biāo)尺上為固定點。一般而言，CT值范圍位于-1 024～3 071 HU之間，可以得到4 096個不同CT值，即每個像素通過12位數(shù)據(jù)表示。

通過對掃描圖像的像素數(shù)或CT數(shù)進(jìn)行分析，即可獲得巖石中各種物質(zhì)組成和孔裂隙的基本信息，并可開展進(jìn)一步的精細(xì)描述和定量研究[21-22]。鏡質(zhì)體反射率和顯微組分是通過Leitz MPV-3光度計顯微鏡分析得到的，分別遵循ISO 7 404.3-1994(1994)和ISO 7 404.5-1994(1994)，對煤樣相同的拋光部分進(jìn)行。依據(jù)GB/T 212-2008 (2008)國家標(biāo)準(zhǔn)，分別對樣品進(jìn)行了灰分、水分和揮發(fā)分測試，另外準(zhǔn)備了直徑和長度為25 mm的柱樣分別進(jìn)行X-CT掃描和氦孔隙度測試。選用的煤樣具有不同的煤級、孔隙度和礦物含量，樣品的鏡質(zhì)體反射率為0.71%～3.14%，包括煙煤(P1, P2, J1, J2)和無煙煤(Z1, Z2, G1-G4)，礦物含量大部分為0.25%～12.6%，只有1個樣品礦物含量最高，為55.5%。氦氣孔隙度測量得到煤的孔隙度值在2.0%～9.88%，所測樣品包括原生結(jié)構(gòu)煤(G1)、初碎裂煤(G2)、碎裂煤(G3)和糜棱煤(G4)。X-CT掃描實驗是基于美國ACTIS-250 / 320PK / 225FFI工業(yè)CT系統(tǒng)展開的。X射線源是一個225 kV的費恩聚焦點，可以為4.8 mm的對象提供10 μm的分辨率。將圓柱形樣品垂直放置在樣品槽中(定向于切片平面)，并在掃描儀的視野中心聚焦。樣品的三維分辨率可以達(dá)到大約50 μm，可以區(qū)分開絕大多數(shù)孔隙和裂縫。

3結(jié)果與討論

3.1煤巖組構(gòu)分析

煤是由有機組分、無機礦物以及孔裂隙組成的一種三元系統(tǒng)，這3種介質(zhì)的密度特征完全不同，其中無機礦物具有最高的密度，而孔裂隙具有最低的密度，有機組分介于兩者之間。因此可以通過X-CT掃描技術(shù)來識別3種介質(zhì)。通過X-CT掃描分析可以得到一定數(shù)目不同灰度像素按照一定矩陣排列而成的CT圖像，在得到的CT圖像中，黑影區(qū)表示低X射線吸收區(qū)，即低密度區(qū)，可以用來指示孔、裂隙的位置；白影區(qū)表示高X射線吸收區(qū)，即高密度區(qū)，可以用來指示礦物的分布；而介于二者之間的區(qū)域代表了各種有機煤巖組成。而煤巖的有機組分包括鏡煤和暗煤2部分，它們的密度不同，因此也可以通過CT圖像將它們區(qū)分開。本文通過系統(tǒng)分析黔西滇東地區(qū)的煤巖樣品，查明了煤巖中鏡煤組分、暗煤組分、無機礦物和孔裂隙之間的CT數(shù)閥值。研究發(fā)現(xiàn)礦物、暗煤、鏡煤和孔隙的CT數(shù)閥值分別為：>1800，1 500～1 800，1 000～1 500，<1 000 HU，但是這4種成分的具體CT數(shù)又因樣品而異。如圖2所示，煤巖中孔裂隙的CT數(shù)僅為889 HU，有機組分中鏡煤組分的CT數(shù)為1 456 HU，暗煤組分的CT數(shù)為1 672 HU，而煤巖中的礦物顆粒和條帶(白色區(qū))平均CT數(shù)高達(dá)3 056 HU。

另外由于X-CT技術(shù)分別對各切面進(jìn)行了層析掃描，從而可以全方位地得到煤中孔裂隙和礦物形態(tài)、產(chǎn)狀及接觸關(guān)系的信息，同時可以清晰地展示出煤巖中的鏡煤條帶和暗煤組分(圖3)。

3.2煤巖孔隙度及礦物的定量表征

煤基質(zhì)、孔裂隙和礦物的分布不均勻，造成了煤巖的不同CT切片的孔隙度和礦物含量變化很大。常規(guī)的氦氣法和工業(yè)分析等手段測試得到的煤巖孔隙度和礦物含量，僅能反映該樣品孔隙度和礦物含量的平均值，無法反映出孔裂隙和礦物在空間上的分布特征，而通過X-CT掃描可有效地實現(xiàn)這一目的。在CT孔隙度和礦物含量定量表征的研究中， CT孔隙度表示為各切片孔裂隙對應(yīng)的像素單元數(shù)與總像素單元數(shù)的比值，而礦物含量可以表示為各切片礦物含量對應(yīng)的像素單元數(shù)與總像素單元數(shù)的比值，從而求得各切面的CT孔隙度和礦物含量，進(jìn)而得出整個煤巖孔隙度和礦物含量。

圖2　黔西滇東地區(qū)煤巖樣品CT切面

圖3　黔西滇東地區(qū)煤巖樣品三維切片

統(tǒng)計結(jié)果表明，黔西滇東煤巖的CT孔隙度介于3.33%～7.14%之間，礦物含量介于0.11%～89.03%之間(表1)。CT計算出的孔隙度和礦物含量與氦氣法和工業(yè)分析測得的數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性(圖4，5)。從對各個樣品的各個切面的孔隙度分析結(jié)果來看，不同樣品的各個切面的孔隙度差異不大，除樣品G3外，其他樣品的各切片孔隙度的極差都在1%以下；而利用CT掃描計算求得的礦物含量范圍變化較大，除樣品P2、J2和G1三個礦物含量較低外，其余樣品各切片的礦物含量的極差都在1%以上(表1)。由此發(fā)現(xiàn)煤樣的礦物含量在軸向分布上具有非常高的非均質(zhì)性，而且隨著樣品礦物含量的增高，非均質(zhì)性變化越強烈。

3.3煤儲層非均質(zhì)性分析

本次研究對黔西滇東的10個樣品進(jìn)行了X-CT掃描分析，對于每個樣品均沿軸向掃描了20～54次不等，隨后對各個樣品的CT數(shù)進(jìn)行了分析。煤巖樣品各切片的平均CT數(shù)最小為1 228 HU，最大為2 433 HU，不同切片的平均CT數(shù)變化范圍很大(表2)。一般煤中礦物含量較高且孔裂隙發(fā)育較少，煤的密度越高，CT數(shù)也就越高，如盤關(guān)地區(qū)P1煤樣密度最大，為1.69 g/cm3，其CT數(shù)也最高，平均CT數(shù)高達(dá)2214HU，而老廠地區(qū)的G3煤樣孔裂隙較為發(fā)育，礦物含量相對較少，煤巖密度最低，為1.21 g/cm3，其CT數(shù)也就越低，平均CT數(shù)僅為1 289 HU。

圖4　黔西滇東地區(qū)煤巖樣品CT孔隙度與氦氣孔隙度關(guān)系

圖5　黔西滇東地區(qū)CT煤巖樣品

表1　黔西滇東地區(qū)煤巖孔隙度和礦物含量分布

表2　黔西滇東地區(qū)煤巖樣品各切片平均CT數(shù)分布特征

通過各掃描切片的CT數(shù)的分析，可以研究出煤巖組成的非均質(zhì)性特征，一般各個切片的CT數(shù)的極差、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)越小，峰態(tài)和偏態(tài)越接近于0，表明樣品的軸向均質(zhì)性越好。從統(tǒng)計結(jié)果來看，其中老廠地區(qū)的G1煤樣均質(zhì)性最好，而盤關(guān)地區(qū)的P1煤樣非均質(zhì)性最強，其他樣品介于二者之間。

老廠地區(qū)的4塊樣品分別包括了原生結(jié)構(gòu)煤(G1)、初碎裂煤(G2)、碎裂煤(G3)和糜棱煤(G4)，其中糜棱煤和初碎裂煤的礦物含量較高，密度較大，其CT數(shù)也就越高，糜棱煤的平均CT數(shù)高達(dá)1 544 HU；而原生結(jié)構(gòu)煤和碎裂煤的孔裂隙較為發(fā)育，礦物含量相對較少，煤巖密度較低，其平均CT數(shù)均在1 400 HU以下，碎裂煤的CT數(shù)最小，為1 289 HU。通過分析各個切片CT數(shù)的極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、峰態(tài)和偏態(tài)，發(fā)現(xiàn)原生結(jié)構(gòu)煤的均質(zhì)性較好，而糜棱煤的非均質(zhì)性最強，初碎裂煤和碎裂煤介于二者之間，表明煤巖在沒有受到應(yīng)力作用之前，煤巖組成在軸向上的均質(zhì)性相對較好，后期的應(yīng)力作用造成了煤中的煤巖組分、孔裂隙以及礦物的分布不均勻，煤巖非均質(zhì)性增強。

3.4煤巖體可視化與三維重構(gòu)

為了模擬煤巖體的有機組分、孔裂隙和礦物等在空間的展布特征及其相互接觸關(guān)系，對該區(qū)煤樣的CT進(jìn)行了三維重構(gòu)研究。根據(jù)有機組分中的鏡煤、暗煤、孔裂隙和礦物的CT數(shù)的不同分布區(qū)間，分別建立了四者的空間模型(圖6)，將它們綜合在一個三維坐標(biāo)體系中，即可實現(xiàn)煤巖體的三維重構(gòu)。本研究運用醫(yī)學(xué)專用X-CT圖像分析處理軟件mimics 10 ?，分別建立了4塊煤樣的三維重構(gòu)模型，通過這些模型可以直觀清楚地識別出煤巖體的孔裂隙發(fā)育形態(tài)和連通性，以及鏡煤條帶和礦物的空間發(fā)育特征。

圖6　黔西滇東地區(qū)煤樣三維重建示意

總體而言，織納和老廠地區(qū)高煤階樣品的CT圖像中，有機組分中的鏡煤與暗煤之間的差別明顯，存在著明顯的鏡煤條帶；而恩洪和盤關(guān)地區(qū)的中低煤階樣品兩者之間的界限比較模糊，無法區(qū)分開。老廠地區(qū)的G3號樣品孔裂隙最為發(fā)育，孔裂隙呈網(wǎng)狀或樹枝狀延伸，連通性較好；盤關(guān)地區(qū)P1號樣品的礦物含量最高，呈顆粒狀和片狀分布在煤巖基質(zhì)中。然而其他樣品的孔裂隙和礦物不甚發(fā)育，且主要發(fā)育尺度窄的微裂隙，微裂隙主要集中在樣品的邊部，個別煤巖中可以見到礦物充填部分裂隙的現(xiàn)象，充填在裂隙中的礦物多以成片狀分布；而獨立分布在煤中的礦物多成顆粒狀，顆粒相對較小，呈不規(guī)則的云霧狀分布于煤的基質(zhì)中。

4結(jié)論

(1)煤中礦物含量較高且孔裂隙發(fā)育較少，煤的密度越高，CT數(shù)也就越高。煤巖組成的非均質(zhì)性特征可以通過CT數(shù)來反映，一般各個切片的CT數(shù)的極差、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)越小，峰態(tài)和偏態(tài)越接近于0，表明樣品的軸向均質(zhì)性越好。

(2)通過煤巖組構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，煤巖中孔裂隙、鏡煤、暗煤和礦物的CT數(shù)范圍可以定義為：小于1 000，1 000～1 500，1 500～1 800，大于1 800 HU。

(3)X-CT技術(shù)不僅可以無損害地將煤巖內(nèi)部情況通過成像技術(shù)直觀清楚地顯示出來，而且能夠比較準(zhǔn)確地定量表征煤巖各切面的平均孔隙度以及礦物含量的大小。

(4)通過X-CT技術(shù)可以實現(xiàn)煤體結(jié)構(gòu)的三維可視化，從而可以直觀地識別出煤巖的孔裂隙發(fā)育程度、孔裂隙連通性、礦物和有機顯微組分等以及它們在三維空間發(fā)育特征。

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(編輯黃娟)

Characterization of the physical properties of coal reservoirs in the western Guizhou and eastern Yunnan by X-ray computed tomography

Xiong Bo1,2, Liu Kun2, Guo Kai3, Zhao Guangmin4

(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.LangfangBranchofResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChina,Langfang,Hebei065007,China;3.NaturalGas&PipelineCompany,PetroChina,Beijing100007,China;4.Oil&GasTechnologyResearchInstituteofChangqingOilfield,Xi’an,Shaanxi710021,China)

Abstract:The western Guizhou and eastern Yunnan are potential exploration areas for coal bed methane (CBM) in South China, and their favorable CBM potential has been demonstrated by CBM exploration and pilot tests. In this paper, the physical properties of coal reservoirs in the study area were systematically studied by means of X-ray computed tomography (X-CT). The research showed that X-CT could identify 4 kinds of media: mineral, durain, vitrain and pore. The CT number of mineral, durain, vitrain and pore were approximately >1 800, 1 500-1 800, 1 000-1 500 and <1 000 Hounsfield unit (HU), respectively. Their specific CT number varied from sample to sample. The estimated porosity values of coals ranged from 3.33% to 7.14%, and mineral contents ranged from 0.11% to 89.03% by means of X-CT, which correlated well with the porosities determined using the helium gas method and proximate analysis. X-CT scans showed that under the influence of stress, undeformed coal has the highest homogeneity, mylonitic coal has the highest heterogeneity, and proto-cataclastic and cataclastic coals were between them. If coals were not affected by stress, their composition heterogeneity in the axial direction was relatively good. The later stress action caused the uneven distribution of coal components, pores, fractures and minerals, which enhanced the heterogeneity of coals. A three-dimensional model of coals was built to show the quantification and 3D visualization of the spatial disposition of minerals, pores and fractures of coals in these areas.

Keywords:X-CT; physical properties; homogeneity; three-dimensional models; coal reservoir; western Guizhou and eastern Yunnan

文章編號：1001-6112(2016)03-0407-06

doi：10.11781/sysydz201603407

收稿日期：2015-11-25；

修訂日期：2016-03-12。

作者簡介：熊波(1979—)，男，高級工程師，從事煤層氣地質(zhì)勘探工作。E-mail：xiongbo69@petrochina.com.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目(41272175)資助。

中圖分類號：TE135

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A